制备碳纳米管的旋转发生器的制作方法

本实用新型涉及碳纳米管制备领域，具体涉及一种制备碳纳米管的旋转发生器。

背景技术：

碳纳米材料是指分散相的尺度至少有一维小于100nm的材料，目前已经报道的碳纳米材料包括碳纳米纤维、石墨烯、纳米碳球等，而碳纳米管是作为世界公认的最细的纤维；这些材料由于具备良好的导电性、高机械性能和高比表面积，在电化学催化和储能等可再生能源转换技术领域中占据着重要角色。前碳纳米管的宏量制备方法主要是化学气相沉积法，利用催化剂裂解碳氢化合物，以活性金属原子为催化剂晶核，碳原子以该核沉积生成碳纳米管。根据化学气相沉积法的原理可以知道，催化剂活性主份与碳源气体接触越充分，碳氢键裂解产生的碳原子就越多的沉积生长在活性金属表面，生长的碳纳米管就越多，生长形貌就越好。化学沉积法在工程化生产中，其实现手段主要有移动法和沸腾法（又称流化床法）。移动法利用料舟作为载具，将催化剂放入料舟在管式炉炉管内移动，在条件具备区域内，生长碳纳米管；移动法生产过程中，催化剂固定在料舟内，完全依靠碳源气体在料舟催化剂堆放表面及渗透进入接触催化剂，也就是说，催化剂是被动与碳源气体接触，因此存在催化剂与碳氢化合物接触不充分，影响碳纳米管生长等缺点，导致只能用于低倍率的碳纳米管制备，通常以甲烷作为碳源；为了克服移动床的上述缺点，出现了沸腾法（又称流化床法）生产碳纳米管，沸腾法利用氮气将催化剂吹悬浮于充满碳氢化合物的井式炉内，碳源气体与催化剂活性金属实现充分接触，更好的生长碳纳米管，但是，沸腾法存在氮气压力不稳定，导致生长过程难控制等缺点，同时在碳源气体环境中大量冲入氮气，稀释碳源气体，为保证碳纳米管生长就必须大过量冲入碳源气体，一方面井式炉内压力不能太高，为了保持一定压力，就要大量排出炉内气体，导致大量碳源气体没有裂解就排出，造成碳源气体转化率低，环境污染大等缺点，沸腾法只能用于小管径碳纳米管制备，通常以丙烯作为碳源。移动法和沸腾法对催化剂的制备有各自的特殊要求，催化剂无法通用。为解决上述技术问题，我公司提出一种旋转法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，在本方法中需要使用旋转炉做为反应设备，但是传统的旋转炉不利于催化剂的投放，使得碳源气体与催化剂反应不充分，同样会造成碳源气体转化率低的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种制备碳纳米管的旋转发生器，主要用于制备碳纳米管，通过在旋转炉内设置倾斜的搅板，从而使旋转炉在转动过程中可以扬起催化剂，解决了催化剂沉积在炉底造成碳源气体转化率低的问题。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种制备碳纳米管的旋转发生器，包括预热炉、旋转炉以及收料罐，所述旋转炉倾斜安装，旋转炉底部设置有氮气进气阀口和碳源进气阀口，旋转炉顶部与所述预热炉导通，所述预热炉顶部设置有废气阀口和加料阀口，所述预热炉与旋转炉之间设置有进料阀，所述旋转炉底部与所述收料罐导通，收料罐的出料口设置有放料阀口；

所述旋转炉内壁均匀设置有多个搅板，所述搅板垂直于旋转炉内壁并与旋转炉的轴向倾斜。

本方案最大的优势在于通过在旋转炉炉管内壁增加搅拌，使得其转动过程中搅拌不断扬起催化剂物料，将物料按扬洒螺旋的方式在炉管内进行输送，相比传统的旋转炉本方案能更好的提升物料在炉管内的运动，从而使其不断的反复接触碳源，从而提高了催化剂的利用率。

进一步的，所述搅板为l形，使得其舀料面形成夹角为100～135°的凹面，形成100～135°的凹面可以使得扬起的催化剂颗粒呈抛物线形式在炉内翻滚，反复与碳源接触，提高催化剂的利用率。

进一步的，所述搅板与旋转炉轴向之间的倾斜夹角为0～45°，形成一定的倾斜角度可使得催化剂物料以扬洒螺旋推料的方式输送。

进一步的，所述旋转炉的炉体倾斜角度为0-45°。

进一步的，所述搅板在旋转炉内壁呈矩阵均匀分布，均匀分布有利于催化剂物料的分散均匀。

进一步的，所述预热炉与旋转炉顶部之间通过一段连接管导通，所述进料阀设置在连接管上。

本实用新型的有益效果是：

（1）本方案通过旋转炉管内搅板将催化剂在炉管内扬洒，对炉管内碳源气体的碳氢键裂解，碳原子以催化剂活性金属为晶核沉积生长，最终制备得到中空纤维状碳纳米管；充分利用废气余热加热，减少能耗；

（2）依靠搅板扬洒催化剂与碳源气体充分接触，旋转炉与搅板设置成的倾斜度实现物料推进，碳纳米管生长环境中只有碳源气体，无其他辅助气体，碳源气体可充分裂解制备碳纳米管，得以充分利用；

（3）本方案反应装置一体化，结构简单，分别通过调节炉管旋转速度、催化剂进给计量和裂解温度，实现不同催化剂及不同碳源气体，制备各种碳纳米管，一台设备通用。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是本旋转炉内壁示意图；

图3是搅板结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下。

如图1-3所示，一种制备碳纳米管的旋转发生器，包括预热炉1、旋转炉2以及收料罐3，旋转炉2倾斜安装，旋转炉2底部设置有氮气进气阀口10和碳源进气阀口11，旋转炉2顶部与预热炉1导通，预热炉1与旋转炉2之间设置有进料阀6，预热炉1的下端设计为锥形以便集料出料。更为具体的，预热炉1与旋转炉2顶部之间通过一段连接管4导通，所述进料阀6设置在连接管4上，预热炉1顶部设置有废气阀口5和加料阀口7，旋转炉2底部与收料罐3导通，收料罐3的出料口设置有放料阀口8；旋转炉2内壁均匀设置有多个搅板9，搅板9垂直于旋转炉2内壁并与旋转炉2的轴向倾斜。搅板9为l形，使得其舀料面形成夹角为100～135°的凹面，搅板9与旋转炉2轴向之间的倾斜夹角为0～45°，旋转炉2的炉体倾斜角度为0-45°，搅板9在旋转炉2内壁呈矩阵均匀分布。

工作原理说明：取140克负载量为6％的镍基催化剂(载体为sio2，镍氧化物为氧化镍)，打开加料阀口7，将其投入到预热炉1内，然后关闭放料阀口8，打开氮气进气阀口10以及进料阀6，向旋转炉2通入氮气置换氧气，系统氧含量小于2%后，关闭加料阀口7、氮气进气阀口10以及进料阀6。使预热炉1加热到560℃，关闭电加热，利用废气加热；旋转炉2加热到790℃，启动旋转炉2炉管旋转，转速通过变频器调到6r/min，再开启碳源进气阀口11，通入甲烷，甲烷流量控制2.5m3/h，进料阀按2g/min的量控制，打开废气阀口5调节旋转炉2内气压，保证系统内压差为+250pa左右，反应时间2.5小时左右；初期甲烷气体的碳氢键在790℃时小部分裂解成碳原子和氢气，氢气将催化剂中的氧化镍还原成单质金属镍，以单质金属镍为晶核，催化裂解更多的碳氢化合物的碳氢键，碳原子以镍为晶核沉积，生成碳纳米管，裂解产生的氢气一部份在还原氧化镍成单质镍后生成水，作为废气从废气阀口5排出；另一部分氢气成进入预热炉1加热并还原催化剂后由废气阀口5排出，。其中，旋转炉2内的碳氢键裂解成碳和氢，碳原子不断均匀的负载在镍基催化剂的表面，生长成碳纳米管，同时，产生的氢气一部分作为旋转炉2的炉管中的载气，一部分逸出反应炉被气体收集系统收集。待上述反应结束后，停止旋转炉2加热，关闭碳源进气阀口11，开启氮气进气阀口10，通入氮气置换系统内废气和冷却，氮气置换30分钟后，关闭氮气进气阀口10，打开放料阀口8，料排空后，停止旋转炉2旋转。反应炉冷却至室温后，取出物料，即得到中空纤维状的碳纳米管。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。